环形燃烧室冷热态发散冷却性能的对比实验

针对燃烧室发散冷却性能的研究,设计了3头部扇段模型燃烧室进行冷热态对比实验.通过对模型环形燃烧室内外环面上的温度进行测量,讨论冷热态时综合冷却效率分布差异,并考察了冷却空气量与主流空气量之比对综合冷却效率的影响规律.结果表明:发散冷却在冷热态时的综合冷却性能差异显著,主要是由于燃烧反应的发生改变了燃烧室内流场和温度场,进而引起壁面热负荷变化;无论冷态还是热态,在旋流主流的作用下,内环面上的发散气膜相比于外环面更易吹离壁面.随着无量纲流量比的增加,面积平均综合冷却效率均随之增加,但增加幅度逐渐降低.     

湍流射流点火预燃室射流孔对甲醇发动机性能及排放影响的研究

基于一台四冲程单缸发动机开展预燃室结构和射流孔直径对湍流射流点火(turbulentjetignition,TJI)甲醇发动机性能和燃烧特性的影响研究．试验采用直单孔和斜三孔两种类型预燃室射流孔，根据预燃室是否喷射甲醇，预燃室可分为主动式预燃室和被动式预燃室．结果表明，预燃室射流孔直径过大会使射流强度减弱，进而导致主燃烧室燃烧速率降低，不利于稀薄工况下的稳定燃烧；预燃室射流孔过小则会导致节流损失和淬息作用增强，造成稀薄工况缸内燃烧恶化，且污染物排放增加．稀燃工况下，对于直单孔预燃室，4 mm直单孔预燃室性能表现较好，可产生较强的射流，拓宽发动机稀燃极限、提升燃烧稳定性，同时降低指示油耗率，减少污染物排放．预燃室结构不同时，斜三孔预燃室可产生与活塞表面平行的射流火焰，TJI甲醇发动机获得更好的动力性与燃油经济性，且污染物生成较少；同时，斜三孔预燃室可在主燃烧室产生多股射流，提供分布更加广泛的点火源，促进缸内快速燃烧，有效提升稀燃工况下的燃烧稳定性．不同发动机负荷下，斜三孔预燃室的使用可使发动机获得更好的燃烧和排放性能；TJI甲醇发动机具有较好的经济性和燃烧稳定性，同时，缸内燃烧速率更高，...     

燃气涡轮增压系统燃烧室设计

根据燃气涡轮增压系统结构要求,提出了一种新型滚流回流燃烧室结构,通过CFD数值模拟,研究其内部温度场和出口温度分布情况,确定了燃烧室的主要结构参数.采用粒子图像测速仪（PIV）测量燃烧室内筒头部的冷态流场,证明燃烧室头部存在滚流回流区,能够形成稳定的火焰区.在燃烧试验中,进行了贫油点火和贫油熄火试验研究.结果表明在一定流量范围内,文中燃烧室贫油点火及贫油熄火油气比均随进口马赫数的增大而增大;将文中燃烧室与外形尺寸相近的旋流进气燃烧室的总压恢复系数对比,结果表明相同的流量下文中燃烧室的总压恢复系数平均提高约2%.      

壁面冷却空气对贫油吹熄特性影响的激光诊断研究

针对燃烧室中冷却壁面的冷却气膜会影响燃烧室内的流场、改变回流区结构,从而影响贫油吹熄特性这一问题,在一带有气膜冷却的旋流燃烧室上开展了不同壁面空气占比下的贫油吹熄极限测量。结果表明：壁面冷却空气占比达到0.2时,不同燃油流量下,以全局空气流量计算,燃烧室吹熄当量比降低的范围在0.09～0.1之间;以主流空气计算,吹熄当量比降低范围在0.01～0.028之间。为了更加深入研究这一规律的原因,开展了平面激光诱导荧光(PLIF)激光诊断测量,可知引入壁面冷却空气后,OH基更集中分布在靠近燃烧室底部的火焰根部。在稳定火焰工况中,与近吹熄火焰相比,在燃烧室底部附近的火焰中央有大量OH基分布,这将有助于火焰的稳定,并拓宽贫油吹熄极限。米氏散射实验结果表明,引入壁面冷却空气后可使燃油液滴更集中分布在燃烧室底部附近,这将导致根部火焰局部当量比提高,易于形成稳定的火焰。结合所得实验结果,在所使用的旋流模型燃烧室内,加入占比为0.2的壁面冷却空气,可以拓宽燃烧室的贫油吹熄极限,有助于火焰的稳定。研究结果有望对带有冷却气膜的燃烧室的燃烧稳定性调控问题提供一定的理论指导。     

气液双燃料燃气轮机燃烧室混合燃烧特性研究

为解决双燃料燃气轮机燃烧室中的混合燃烧问题，对某原型燃油燃烧室进行了双燃料混合燃烧的数值模拟。通过模拟实验可知，在2种燃料混合燃烧的过程中，不断降低的液体燃料流量以及雾化压力导致的液体燃料雾化特性恶化以及气体燃料不断升高的喷射速度在径向上压缩液体燃料雾化空间是影响燃烧室混合燃烧性能的主要原因。在本文计算的混合燃烧过程中，燃烧室性能变化存在临界点，随着气体燃料占比增加，燃烧室火焰先缩短后延长，燃烧室出口温度分布系数（OTDF）先降低后升高，两者均在气体占比40%时达到最佳，而燃烧室液体燃料雾化质量、出口平均温度、效率均逐渐下降，且在气体燃料占比为70%时下降幅度最大，但在气体燃料占比100%时上升。     

引燃油喷射时刻对着火特性和压力振荡影响的研究

为提高天然气/柴油双燃料船用低速发动机低负荷时的燃烧稳定性、避免高负荷时爆震发生,采用三维数值模拟的方法,研究了实际双燃料发动机中引燃油喷射时刻对缸内混合气的着火/燃烧特性及缸内压力振荡的影响.结果表明:甲烷当量比为0.38的工况,引燃油喷射时刻的推迟会造成缸内甲烷/空气混合气的着火时刻和燃烧相位推迟,缸内压力减小且爆压相位滞后;当喷射时刻推迟至2.0°CABTDC时,缸内压力峰值低于10 MPa,说明燃烧严重恶化,甚至出现失火现象.甲烷当量比为0.50的工况,引燃油喷射时刻的推迟使缸内压力振荡幅度增大且振荡发生的时刻推迟,当喷油时刻推迟至2.0°CABTDC时,甲烷/空气混合气在引燃油喷射之前发生自燃;此外,喷油时刻的推迟会导致火焰发展速度加快且火焰前端燃烧更为剧烈,易在靠近壁面的狭小空间内产生压力振荡.     

液体煤油凹槽火焰稳定极限研究

针对所设计的超燃冲压发动机燃烧室,对液体煤油的凹槽火焰稳定特性进行研究。采用概率密度函数紊流扩散燃烧模型、紊流 模型和离散液滴模型,数值模拟了飞行马赫数为5,不同位置和油气当量比喷射燃料的情况。从凹槽前缘喷射燃料,凹槽在富油时火焰稳定范围比较广;从凹槽底面和后壁喷射燃料,凹槽抑制了富油时火焰稳定范围,而在贫油时火焰稳定范围比较广。火焰结构受燃料喷射位置和油气当量比的影响。油气当量比是3.0时,凹槽出现开放型凹槽流动;而其它的模拟情况,凹槽均出现过渡型凹槽流动,这与冷流时凹槽流动类型不同。深入研究凹槽的热流场特性,使凹槽发挥最大的火焰稳定作用。     

AVC预混燃烧流动特性的数值模拟

为探究先进旋涡燃烧室内湍流燃烧流动特性,应用预混燃烧模型,对燃烧室内燃烧及流动过程进行了数值模拟。得到了燃烧室内温度场及流场的分布情况。分析了不同燃气当量比、燃气速度和燃气温度对燃烧室预混燃烧流动的影响规律。结果表明:燃烧室内凹腔及后钝体回流区是主要燃烧区域,主燃区可形成均匀对称的旋涡对;不同工况参数对燃烧室内温度、组分和流场分布有影响。凹腔内温度随进气速度增大而增加,燃烧室内温度和出口径向温度随燃气温度增大而增大,且在不同工况下,凹腔内都能维持较高的点火温度。     

燃料分级比例对双燃料燃烧室燃烧性能的影响

通过数值与试验相结合的方法对一种双燃料低污染燃烧室的流场和燃烧特性进行了研究.利用Fluent软件对该低污染燃烧室进行了数值模拟,对燃烧室的点火、熄火特性进行了试验测试,在燃烧室进口参数一定的情况下,改变值班级和主燃级燃料能量的分配比例,对比分析主燃级能量比例对燃烧特性的影响.结果表明,所研究的低污染燃烧室头部存在中心回流区、角落回流区以及唇口回流区;燃烧室的点火、熄火特性满足要求;燃料分级比例对污染物排放具有较大的影响,在双燃料的设计点和单独使用气体燃料时,CO和NO_x排放均达到了燃烧室的设计要求.     

电控单缸柴油机燃烧室设计与实验研究

为了满足发动机动力性、经济性和排放的要求,设计与进气系统和燃油喷射系统相匹配的燃烧室构型至关重要。采用数值模拟和实验验证相结合的方法,对电控单缸柴油机的燃烧室进行设计和优化。参考基准机型的主要结构参数,完成燃烧室结构设计,采用Euler-Lagrange联合仿真法对发动机标定点和扭矩点的性能进行计算,并与实验结果对比;对燃烧室结构进行参数化建模,研究标定点和扭矩点工况下燃烧室缩口比、燃烧室深度、燃烧室内径3个关键结构参数对发动机耗油率和排放的影响。结果表明:EulerLagrange联合仿真法满足燃烧室设计要求;在进气系统和燃油喷射系统确定的情况下,燃烧室的3个关键结构参数对发动机性能有显著影响。     

电喷汽油机冷起动及冷态怠速的排放控制

为了改善电喷汽油机冷起动及冷态怠速运转（即暖车过程）性能,自行研制了基于高能双火花塞点火的快速燃烧系统．实验结果表明,基于高能双火花塞点火的快速燃烧技术有助于汽油机冷起动工况的快速点燃、同时,由于对称布置的双火花塞缩短了火焰传播距离,提高了着火的机会,加快汽油机可燃混合气的燃烧放热效率、在保证稳定燃烧的前提下,可以在暖车过程中实现较大的点火延迟,迅速提高排气温度,缩短三元催化剂的HC起燃时间,实现改善电喷汽油机冷起动及冷态怠速过程排放特性的目的。     

基于深度极限学习机的柴油机尾气排放预测

准确预测拖拉机等柴油机械实际工况污染物排放在排放清单建立和区域污染物排放控制方面具有重要意义。基于拖拉机不同运行状态下发动机转速、油耗、燃烧比、CO、HC、NOX和PM等实测数据作为数据源,建立深度极限学习机(Deep Extreme Learning Machine,DELM）的预测模型,并对拖拉机怠速、行走和旋耕等基本工况下的污染物排放进行预测。为进一步评估DELM预测模型的适应性,将其与支持向量机(support vector machine, SVM)和前馈神经网络(Back propagation neural network, BPNN)模型进行对比分析。结果表明,1）DELM模型在预测排放时间序列方面具有一定优势,其预测拖拉机在怠速、行走和旋耕3种状态下的NOX、HC、CO和PM排放均方根误差均值分别为5.269×10-5、5.195×10-5、5.135×10-5和2.795×10-5。2）DELM模型与SVM和BP对比发现,DELM模型在鲁棒性以及适应性方面的优势显著。3）DELM方法的较高的准确度和泛化性,为基于发动机状态数据预测移动源尾气排放提供思路和方法。     

掺氢对天然气燃烧室燃烧及排放特性影响数值模拟研究

本文针对以天然气为燃料的燃气轮机使用掺氢燃料后的燃烧及其排放特性开展研究,基于DLN1.0燃烧室火焰筒,采用数值模拟的方法研究不同的掺氢比(H2体积含量0~30%一共7种工况)在恒定热功率和相同当量比条件下对天然气混合气燃烧过程的影响,获得火焰筒内流场、温度场和燃烧产物的分布参数以及对应关系。研究显示,随着掺氢比的增加火焰温度上升,燃烧反应区扩大,火焰筒出口处的温度分布均匀性变差;掺氢造成局部释热量的改变,会导致NOx的排放随着掺氢比的增加而呈现增加趋势;CO和CO2的排放量都有显著的减少,H2O的生成量显著增加。同时本文提出稀释燃烧的方法来解决由掺氢造成的一系列问题,研究不同当量比的工况下掺氢燃烧后的燃烧及排放特性变化,并计算得到各个掺氢比工况下最佳的当量比范围。研究结果为后续工业燃气轮机天然气掺氢燃烧技术的应用提供了理论指导。     

二次喷油优化直喷汽油机冷启动排放特性的研究

研究了一种通过特殊活塞顶面形状结合二次喷射策略来解决直喷汽油机冷启动工况排放问题的新方法.该方法通过适当的二次喷油分配、结合缸内气流运动来改善燃油混合气的分布.利用AVL-Fire对不同喷油策略下直喷汽油机启动时缸内油气混合分布进行了模拟,对不同喷油策略的冷启动排放进行了实验研究.结果表明,采用特殊活塞顶面形状进行合理的壁面引导,同时结合二次喷油策略,能够优化直喷汽油机冷启动工况下缸内空燃比的分布,使得混合气浓度在火花塞附近略高,宜于火花点火,在火花塞周围略低,宜于火焰传播,从而提高燃烧的稳定性,减少燃油的湿壁现象,降低HC的排放.     

油气混合参数对柴油机低温燃烧过程的影响

应用三维CFD模拟研究了喷油和进气参数包括喷油压力、喷孔直径和进气压力对柴油机低氧浓度低温燃烧(LTC)过程的影响.结果表明:随着喷油压力增加或喷孔直径的减小,各氧浓度下缸内燃烧压力和温度峰值都增大;相同氧浓度条件下预混燃烧的强度增大,出现明显预混燃烧的氧浓度增大;相同氧浓度条件下的soot排放降低;缸内局部温度最大值增大,NOx排放增大.进气压力增大,缸内压力上升更快,但缸内平均温度略有降低,相同氧浓度下着火时刻提前,滞燃期缩短;燃烧过程中局部缺氧的状况得到改善,相同氧浓度条件下燃油的燃烧更加完全,放出的总热量更多,燃烧效率明显提高;soot峰值和最终排放值都减小,NOx生成量进一步降低.     

掺混PODE对增压中冷柴油机燃烧和排放性能的影响

在一台电控共轨增压中冷柴油发动机台架上,燃用纯柴油以及柴油中分别掺混10%、20%、30%(体积比)聚甲氧基二甲醚(PODE)的混合燃料,研究了PODE对柴油发动机燃烧排放特性以及燃油经济性的影响.结果表明PODE的掺混显著影响发动机的燃烧特性:除低速大负荷工况外,PODE的掺入明显降低了预喷放热率,改善了主喷燃料的雾化性能,加大了主喷前缸内的活化成分比例,提升了主喷期间压力升高率和燃烧放热率,提高了缸内燃烧温度,缩短了燃烧持续期.在研究范围内,PODE掺混比越大,缸内燃烧最高温度越高,主喷燃料燃烧速度越快,燃烧持续期越短.排放研究结果表明,随着PODE的掺入,发动机的NO_x排放明显上升,HC排放略有下降,CO排放变化不大.PODE的掺入能明显改善发动机的燃油经济性.     

喷射时刻和掺氢比对直喷发动机燃烧特性的影响

在缸内直喷火花点火发动机上对天然气掺混氢气的体积分数为0％～18％的混合燃料不同喷射时刻下发动机的燃烧和排放特性进行了试验研究．研究结果表明：对于给定的喷射持续期和点火时刻，喷射时刻对发动机性能、燃烧和排放有较大影响，喷射太迟燃烧持续期长，放热速率慢，喷射过早会导致充量系数下降；对于给定转速，发动机存在一个最佳的喷射时刻，此时缸内最高压力升高率和最高燃气平均温度高，燃烧持续期短，燃烧过程定容度高，发动机热效率高，HC排放低；在同一喷射时刻下，当氢气的体积分数小于10％时，HC排放略有上升，当氢气的体积分数达到18％时，发动机HC排放与纯天然气排放水平相当；掺氢对NOx、CO和CO2排放影响不大．     

柴油-丁醇复合喷油燃烧模式的排放研究

在试验柴油机上进行了柴油缸内直喷结合丁醇气道喷射的复合喷油燃烧试验,分别研究了转速1 400 r/min和1 900 r/min、平均指示压力0.5 MPa和1.0 MPa 4个工况下丁醇气道喷射比例对复合喷油燃烧排放特性的影响.结果表明,丁醇比例是柴油-丁醇复合喷油燃烧过程的重要控制参数.随丁醇比例的增大,碳烟排放降低,氮氧化物排放轻微增加,HC和CO排放显著增加.与柴油-丁醇混合燃料直喷燃烧模式相比,相对低的指示热效率和高的HC排放是柴油-丁醇复合喷油燃烧面临的主要问题,因而需要对丁醇气道喷射策略进行进一步的优化.     

低旋流多喷嘴燃烧器性能实验

对燃气轮机低旋流多喷嘴燃烧器的性能进行了实验,分析了当量比和喷嘴出口气流速度对燃烧室压力脉动、排温和排放的影响.结果表明,低旋流多喷嘴燃烧器运行时存在稳定燃烧区、不稳定燃烧区和回火区.随着当量比的减小多喷嘴燃烧趋于不稳定,压力脉动幅值增加,主频降低.随着喷嘴出口气流速度的增加,燃烧趋于稳定,压力脉动幅值减小,主频增加.喷嘴出口气流速度大于12m/s时,多喷嘴燃烧器不存在不稳定燃烧工况.低旋流多喷嘴燃烧器NOx排放与绝热火焰温度呈对数线性相关,且NOx排放随火焰温度的变化比单喷嘴小.     

燃油预热改善直喷柴油机性能与排放研究

为了在传统柴油机上实现同时降低NOx和碳烟排放的准均质预混合燃烧,采用在高压油泵后加热流经高压油管柴油的方法,在一台单缸柴油机上就高温柴油对发动机燃烧和排放的影响开展了台架试验研究．通过在进气中添加低比例的二氧化碳气体,对采用燃油加热实现柴油准均质混合气压燃燃烧过程进行了探索性研究;同时应用KIVA3V对高温燃油喷射对混合气形成的影响进行了模拟研究．结果表明：高温燃油能够促进喷雾雾化和预混合气的形成,且对应一个最佳的温度范围,通过适当增大供油提前角到上止点前32°,采用大流量的多孔喷嘴缩短喷射持续期,以及进气中添加少量二氧化碳等措施,可以实现直喷式柴油机准均质预混合燃烧,达到同时降低NOx和碳烟的目的．